KR100416014B1 - 가스터빈및가스터빈작동방법 - Google Patents

가스터빈및가스터빈작동방법 Download PDF

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Abstract

터빈은 제 1 및 제 2 스테이지 노즐과 시라우드부를 장착하는 다수의 내부 쉘 섹션을 포함한다. 내부 쉘 섹션은 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 원주방향 이동을 억제하고 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 열적 팽창 및 수축이 이뤄질 수 있도록 섹션으로 형성된 외부 억제 쉘로 피닝되어 있다. 확실한 버킷 팁 간극 제어는 제 1 및 제 2 스테이지 버킷 팁 둘레에서 시라우드와 열전달 관계로 내부 쉘 둘레에서 열적 매체를 통과시킬 수 있게 하며, 열적 매체는 터빈과 무관하게 가열/냉각 유체원으로부터 제공된다. 외부 및 내부 쉘 섹션을 제거함으로서 회전자 및 터빈 버킷에 접근할 수 있게 한다.

Description

가스 터빈 및 가스 터빈 작동 방법
본 발명은 터빈에 관한 것으로, 특히 고온 가스 경로 콤포넌트의 폐쇄 사이클 증기 또는 공기 냉각이나, 개방 사이클 공기 냉각을 이용하며, 유지보수, 수선 및/또는 공기와 증기 냉각 사이의 전환을 위해 회전자를 제거할 필요없이 터빈의 높게 유지되는 고온 가스 경로 부분에 접근할 수 있도록 제거 가능한 내부 및 외부 터빈 셀을 구비한 육상설비의 가스 터빈에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 확실한 버킷 팁 간극(bucket tip clearance)을 제어하도록 구성된 내부 및 외부 터빈 쉘에 관한 것이다.
전형적으로 가스 터빈내의 고온 가스 경로 콤포넌트는 고온에 노출된 표면을 냉각시키기 위해 공기 대류 및 공기 필름 기술을 이용한다. 통상적으로 고압 공기가 압축기로부터 송풍되며, 공기를 압축하는 에너지는 공기가 냉각을 위해 사용된 후에 소실된다. 발전에 적용되는 현재의 대형 가스 터빈에서, 고정된 고온 가스 경로 터빈 콤포넌트, 즉 노즐 및 터빈 버킷 슈라우드(shroud)는 대형 터빈 쉘 구조체에 직접 부착되며, 슈라우드는 터빈 쉘이 열적으로 변형될 때 버킷 팁 간극 마찰에 민감하다. 즉, 정상 상태의 작동 및 일시적인 작동 동안에 터빈 쉘의 열적 성장은 적극적으로 제어되지 않으며, 그에 따라 버킷 팁 간극이 터빈의 열적 특성에 영향을 받는다. 이러한 대형 산업용 가스 터빈에서의 버킷 팁 간극은 슈라우드와 버킷 팁사이의 최대 폐쇄(대개 일시적 순간동안 발생함)와, 회전자 및 고정자의 정상 상태의 작동과 관련된 모든 허용오차 및 미지의 것에 의해 결정된다.
고온 가스 경로 콤포넌트의 증기 냉각은 예를 들면 조합형 사이클 발전소의 열회수 증기 발생기 및/또는 증기 터빈 콤포넌트로부터 사용할 수 있는 증기를 이용하는 것으로 제안되어 왔다. 증기가 가스 터빈 콤포넌트용 냉각제로서 이용되는 경우에, 냉각 목적을 위해 압축 송풍 공기를 추출하지 않음으로써 실현된 이득이 증기 터빈을 구동하도록 에너지를 제공하는 대신에 냉각제로서 증기를 이용하는 것과 관련된 손실을 충분히 상쇄하기 때문에 통상적으로 순효율 이득이 존재한다. 증기 냉각 개념은 증기 냉각제가 폐루프내에 제공되어 가스 터빈 콤포넌트를 냉각할 때 증기에 부여된 열에너지가 증기 터빈을 구동할 때의 유용한 일로 복구되는 경우에 특히 유리하다.
공기와 증기간의 열전달 특성이 상이하기 때문에, 이들 두개의 냉각 매체를 이용하도록 설계된 터빈 콤포넌트는 상이하게 구성될 것이다. 예를 들면, 폐루프 증기 냉각에 의해 냉각되도록 설계된 터빈 노즐은 개방 사이클 공기 냉각에 의해 냉각되는 노즐과 실제로 상이할 것이다. 대류 냉각을 제공하는 내부 통로의 형상이 상이할 수 있으며, 증기 냉각의 경우에 냉각제는 다른 곳에서 유용한 일을 제공하도록 노즐로부터 회수될 수 있으며, 공기 냉각의 경우에 공기는 냉각되는 콤포넌트상에서 냉각제 필름을 형성하도록 노즐 격벽의 구멍을 통해 배출될 수 있다.
공기 또는 증기로 냉각될 수 있는 유연성을 갖는 가스 터빈(후술하는 본 발명의 특징)을 위해, 상이한 냉각 매체를 적용하도록 특정 콤포넌트(냉각될 요소)를 교환할 수 있는 능력을 제공하는 것이 필요하다. 예를 들면 단순한 사이클의 가스터빈 발전소를 구입하는 구매자는 터빈 콤포넌트가 공기에 의해 냉각되도록 할 필요가 있는데, 이는 다른 냉각제 공급원을 사용할 수 없기 때문이다. 그러나 후에 구매자가 발전소를 개량된 조합형 사이클 발전소로 확장시키고자 한다면, 증기가 냉각제로서 유용하며, 효율면에서 볼 때 터빈을 냉각시키는데 이러한 증기를 활용하는 것이 유리하며, 고온 가스 경로 콤포넌트의 적어도 일부를 변경할 필요가 있다. 공기 냉각식 터빈 및 증기 냉각식 터빈 각각에서 유지보수 및 교체를 위해 고정 고온 가스 경로 콤포넌트를 제거하는 것은 비가동시간이 많아지며 비용이 많이 든다. 또한, 증기 냉각의 경우에 활발히 냉각되는 고온 가스 경로 콤포넌트와 단일 터빈 쉘 사이에 증기 냉각 파이프를 직접 결합하는 것은 회전자를 제거하지 않거나 또는 쉘의 직경을 과도하게 하지 않고 콤포넌트를 제거하는 것을 불가능하게 한다. 더우기, 비용면에서 효율적인 가스 터빈의 유지보수 및 수선을 위해서는 회전자를 제거하지 않고 모든 고온 가스 경로 콤포넌트를 교체해야 한다.
가스 터빈의 열역학적 성능은 터빈의 경제적 가치를 결정함에 있어서 중요한 특성이다. 터빈 버킷 팁 간극은 개선된 열역학적 성능에 일차적으로 기여한다. 현재의 실시에서, 고정자 콤포넌트는 단일 터빈 쉘상에 장착된다. 열적 및 기계적 부하에 의해 야기된 터빈 쉘 변형은 버린 슈라우드 및 노즐 다이아프램의 반경방향 위치의 원주방향 변화로서 나타난다. 이러한 원주방향 비대칭은 현재 상술한 바와 같이 슈라우드 작동 간극에 대한 버킷 팁의 증가에 의해 나타난다고 설명된다. 이것은 열역학적 성능에 매우 부정적인 영향을 준다. 따라서, 터빈 성능을 개선하기 위해서 슈라우드와 버킷 팁사이의 반경방향 간극의 변화를 최소화할 필요가 있다.마찰로 인한 고온 경로내로의 증기 누출의 가능성 때문에 팁 간극 제어는 증기 냉각에 있어서 보다 중요하게 된다.
폐회로 냉각 시스템을 이용하는 버킷은 공기 냉각 시스템내에서와 같이 고온 가스 경로내로 열 냉각 매체를 분산시키지 않고 모든 열 냉각 매체를 시스템내의 다른 곳에서 사용될 수 있도록 복귀시킨다. 이것은 버킷 팁 냉각의 곤란성을 증가시킨다. 따라서, 버킷 팁 캡은 팁의 전도성 냉각을 향상시키도록 개방 회로 냉각 설계에서보다 상당히 얇게 되어야 한다. 감소된 팁 두께는 슈라우드에 대한 마찰 또는 슈라우드와의 접촉이 냉각 통로를 침투하여 냉각 매체의 증발 및 버킷 파손의 가능성을 야기시킬 가능성을 증가시킨다. 따라서, 특히 콤포넌트가 쉽게 제거될 수 있는 폐회로 냉각 설계에서 팁 간극 제어는 상당히 중요하다.
본 발명에 따르면, 터빈에는 내부 및 외부 쉘이 제공된다. 설명을 위해서, 터빈은 제 1 및 제 2 스테이지 노즐뿐만 아니라 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드를 장착하는 내부 쉘을 구비한 4 개의 스테이지를 포함한다. 그러나, 보다 많거나 또는 적은 수의 터빈 스테이지 뿐만 아니라 내부 및 외부 쉘에 의해 지지된 상이한 숫자의 노즐 스테이지 및 슈라우드가 제공될 수 있다. 내부 및 외부 쉘은 각각 회전자 축을 중심으로 원주방향으로 연장한 섹션으로, 바람직하게는 각각 180° 인 두개의 원주방향 반부(상하부)로 형성된다. 상측 외부 쉘 반부 및 각각의 내부 쉘 반부는 회전자를 제거할 필요없이 유지보수, 수리 및/또는 공기 냉각 콤포넌트와 증기 냉각 콤포넌트사이의 교체를 위해 고온 가스 경로에 접근할 수 있도록 터빈으로부터 개별적으로 제거할 수 있다.
공기 냉각식 터빈이 제공되는 경우, 냉각 공기는 고정 콤포넌트, 예를 들면 제 1 및 제 2 스테이지 노즐에 제공되며, 이들 콤포넌트는 압축기로부터의 고압 공기와 연통하는 내부 쉘에 의해 지지된다. 제 1 스테이지 노즐은 고압 공기를 연소기에 공급하는 캐비티내의 고압 배출부와 개방 연통되게 위치될 수 있다. 개별 배관은 내부 쉘과 외부 쉘사이의 캐비티내로 그리고 제 2 스테이지 노즐내로 외부 쉘을 통해 압축기 추출 홈으로부터의 저압 냉각 공기를 공급하기 위해 제공된다. 물론, 냉각 공기는 개방 회로에서 필름 냉각을 위해 제 1 및 제 2 스테이지 노즐의 격벽 또는 베인을 빠져나와 고온 가스 스트림내로 유동하는 공기이다. 유사하게, 냉각 공기는 제 3 스테이지 노즐로 외부 쉘을 통해 직접 배관될 수 있으며, 제 4 스테이지 노즐은 냉각되지 않은채 잔류한다. 또한, 공기는 터빈내로 그리고 개방 루프 회로내의 제 1 및 제 2 스테이지의 터빈 버킷내로 유도되며, 이에 의해 소비된 냉각 공기는 고온 가스 스트림내로 배출된다.
터빈용 폐회로 증기 냉각 시스템에서, 냉각 증기는 개별 증기 공급 및 소비된 냉각 스트림 배출구에 의해 제 1 및 제 2 스테이지의 노즐 격벽의 각각에 제공되며, 내부 쉘을 통해 격벽에 결합되며, 그 외부 단부에서 외부 쉘에 분리 가능하게 결합된다. 증기 파이프와 외부 쉘과의 이러한 결합은 터빈의 외부에서 접근할 수 있게 하여, 후술하는 바와 같이 유지보수 및 수선을 위해 고온 가스 경로 콤포넌트에 접근할 수 있게 한다. 또한, 폐회로 증기 냉각 공급 도관 및 소비된 냉각 증기 복귀 도관은 제 1 및 제 2 스테이지의 버킷내로 회전자를 통해 제공된다. 양호하게 4 개의 스테이지 터빈 실시예를 위한 공기 및 증기 냉각 장치에서, 제 3 스테이지는 공기 냉각되며, 제 4 스테이지는 냉각되지 않은채 잔류한다. 본 발명은 서로 장착되는 내부 및 외부 쉘과, 터빈 회전자 콤포넌트에의 접근 및 내부 쉘과 외부 쉘의 관계에서의 팁 간극 제어에 관한 것이다. 본 발명의 일부분을 형성하는 회전 콤포넌트, 즉 회전자 및 버킷을 위한 공기 및 증기 냉각 회로의 완전한 설명을 위해서는 발명의 명칭이 "터빈 회전자 콤포넌트의 폐쇄 또는 개방 회로 냉각"인 미국 특허 제 5,593,274 호를 참조하기 바라며, 제 1 및 제 2 스테이지 증기 냉각 버킷의 설명은 발명의 명칭이 "폐회로 증기 냉각 버킷"인 미국 특허 제 5,536,143 호를 참조하기 바라며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용합체된다. 또한, 제 1 및 제 2 스테이지 증기 냉각 베인의 설명은 발명의 명칭이 "조합된 공기 및 증기 냉각 회로를 구비한 터빈 고정자 베인 세그먼트"인 미국 특허 제 5,634,766 호를 참조하기 바라며, 그 개시 내용은 본 명세서에 참조로 인용합체된다. 결과적으로, 공기 냉각에서 증기 냉각으로 단일 터빈을 교체하기 위해서, 특정 부품은 상이한 냉각 매체에 순응하도록 설계, 제거 및/또는 교체할 수 있어야 한다. 따라서, 회전자를 제거할 필요없이 고온 가스 경로 콤포넌트에 편리하게 접근하는 것이 필요하다. 상호교환해야 하는 고온 가스 경로 콤포넌트는 제 1 및 제 2 스테이지 노즐 및 버킷과, 적당한 공기 및 증기 냉각 회로용의 관련 배관을 포함한다. 그러나, 터빈의 모든 다른 콤포넌트는 공동으로 잔류한다. 즉, 내부 및 외부 쉘과, 제 3 및 제 4 스테이지 뿐만 아니라 회전자 쉘과, 스페이서 디스크와, 축방향 회전자 볼트는 동일하게 잔류한다.
공기 및 증기 냉각 콤포넌트간에 교체를 할 수 있도록 또한/또는 유지 및/또는 수리를 위해 고온 가스 경로 콤포넌트에 접근할 수 있게 하기 위해서, 외부 쉘은 상측 및 하측 섹션(예를 들면, 두개의 반부)으로 제공되며, 각 섹션은 제 3 및 제 4 스테이지 노즐과 제 4 스테이지 터빈의 슈라우드의 일부분에 장착된다. 팁 간극 제어를 제공하고 공기나 증기 냉각용의 고온 가스 경로 에어포일을 냉각시키도록 외부 쉘 섹션을 통해 연장하고 내부 쉘에 의해 지지된 배관에 결합된 다양한 입구 및 출구 가열/냉각 체결구는, 분리(또한 결합)를 위해 외부 쉘의 외부에서 접근할 수 있다. 롤러는 내부 쉘을 지지하도록 하측 외부 쉘 반부내의 접근 개구를 통해 배치된다. 내부 및 외부 쉘을 함께 결합하고 외부 쉘로부터의 내부 쉘을 지지하는 내부 쉘에 의해 지지된 핀은 외부 쉘내의 접근 개구를 통해 외부 쉘로부터 분리된다. 핀을 분리하고, 외부 쉘로부터의 파이프 체결구를 분리하고, 롤러를 설치할 때, 외부 쉘의 상측 섹션은 수평 조인트에서 그 하측 섹션으로부터 분리된다. 상측 외부 쉘 섹션은 이에 의해 지지된 관련 제 3 및 제 4 스테이지 노즐 조립체 반부와 함께 상승 및 제거된다. 이것은 제 1 및 제 2 스테이지 노즐을 지지하는 상측 내부 쉘 반부에 접근할 수 있게 한다.
내부 쉘의 상측 및 하측 섹션을 서로 분리할 때(예를 들면, 섹션 반부사이의 수평 조인트에서), 팁 간극 제어 및 증기나 공기 냉각을 위해 이와 조립된 슈라우드와, 노즐 스테이지 및 관련 내부 배관을 구비한 상측 내부 쉘 섹션은 상측 외부 쉘 섹션을 제거함으로써 형성된 접근 개구를 통해 제거될 수 있다. 증기 냉각 터빈의 경우에, 공급 및 배출 증기 파이프는 내부 쉘상에 장착되며, 외부 쉘의 외부에서 접근할 수 있는 어댑터 체결구를 통하여 외부 쉘에 분리가능하게 결합된다. 따라서, 어댑터 체결구를 제거함으로써, 내부 쉘에 의해 지지된 내부 증기 냉각 배관은 외부 쉘의 반경방향 내측으로 이격되어 있다. 다음에, 제거된 내부 쉘 섹션에 필적하는 중량의 모조 또는 모형 내부 쉘 섹션이 접근 개구내에 배치되며, 모형 섹션 및 하측 내부 쉘 섹션은, 사전에 위치된 하측 내부 쉘 섹션을 상측 위치에서 터빈 접근 개구에 일치하도록 위치시키기 위해 롤러상에서 그리고 회전자 축을 중심으로 회전되어, 터빈 접근 개구를 통해 제거될 수 있게 된다. 따라서, 전체 제 1 및 제 2 스테이지 노즐 조립체는 쉽게 제거되어, 고정 콤포넌트(즉, 노즐 및 슈라우드)의 교체 또는 수리나 공기 냉각과 증기 냉각 사이의 전환을 위해 접근할 수 있게 한다.
본 발명의 다른 특징에서는, 내부 및 외부 쉘은 회전자 및 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 반경방향 위치의 초기 조정을 하고, 터빈 작동 동안에 열적 성장, 즉 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 팽창 및 수축을 가능하게 함으로써 버킷 팁과 슈라우드사이의 간극을 초기에 정확하게 최소로 세팅하는 방식으로 서로 결합된다. 이를 위해서, 내부 쉘은 바람직하게는 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드를 통과하는 축방향으로 이격된 위치에서 반경방향 평면내에 내부 쉘에 의해 지지된 다수의 원주방향으로 이격된 핀에 의해서만 터빈 외부 쉘에 장착된다. 핀은 반경방향으로 돌출하며, 예를 들면 내부 쉘을 회전자의 축에 대해 정확하고 정밀하게 위치시키도록 외부 쉘의 외부에 접근 가능한 스크류를 조정함으로써 조정되어, 내부 쉘의 슈라우드와 버킷 팁사이의 초기 밀폐 간극을 제공한다. 각 핀은 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 원주방향 변위 및 집중성을 억제하며, 쉘 주위의 핀의 위치는 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 반경방향 변위를 방지한다. 그러나, 핀은 열적 성장, 즉 팽창 및 수축으로 인한 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 비제한적인 반경방향 이동을 가능하게 하는데, 이에 의해 팁 간극의 제어가 후술될 팁 간극 제어 시스템에 의해 터빈 작동 동안에 유지될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에서는, 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 열적 팽창 및 수축의 확실한 제어는 터빈 작동 동안에 팁 간극을 능동적으로(actively) 제어하도록 유지될 수 있다. 이를 성취하기 위해서, 각각 반원통형이며 일체식으로 주조 또는 가공된 내부 쉘 반부는 제 1 스테이지 슈라우드를 포함하는 축방향 위치의 반경방향 평면내에서 원주방향으로 연장하는 내부의 통로 또는 플리넘과, 제 2 스테이지 슈라우드를 포함하는 축방향 위치의 제 2 반경방향 평면내에서 원주방향으로 연장하는 제 2 내부 플리넘을 구비한다. 플리넘은 내부 쉘내의 통로에 의해 서로 결합된다. 터빈과 독립적인 보조 공급원으로부터의 열적 매체는 내부 쉘에 분리가능하게 고정된 체결구를 통해 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드 주위로 플리넘에 공급되며, 터빈의 외부 쉘을 통과한다. 공급원은 냉각제 및/또는 가열 유체, 양호하게는 예를 들면 모터 구동형 압축기, 열교환기 및 가열기로 구성된 보조 폐쇄 사이클 시스템에 의해 공급되는 공기를 포함한다. 가열/냉각 유체는 보조 시스템으로부터 파이프를 통해 전달되며, 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드 주위로 내부 쉘 플리넘을 통해 순환되고, 복귀된다. 이러한 가열/냉각 유체는 터빈 작동의 기능으로서 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 온도 및 열적 운동(즉, 반경방향 팽창 및 수축)을 제어한다. 따라서, 제 1 및 제 2 스테이지 버킷 팁 주위의 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드의 반경방향 위치는 정상 상태의 작동 및 일시적인 작동 동안에 정확하게 제어된다.
예를 들면, 이전에 긴 시간 동안 작동되어서 콤포넌트 부분이 고온인 터빈의 고온 재시동 동안에, 슈라우드와 회전자간의 냉각 속도 차이로 인해 터빈 버킷 팁의 심한 마찰이 발생될 수 있다. 즉, 둘러싸는 슈라우드 및 지지 구조체는 회전자 보다 빨리 냉각되어 반경방향 내측으로 수축할 수 있으며, 고온 재시동 동안의 스피닝 회전자의 원심 작용은 슈라우드 팁 접촉할 수 있는 버킷을 길게 한다. 가열/냉각 매체, 예컨대 공기나 증기를 내부 쉘내의 플리넘에 공급함으로써, 내부 쉘의 반경방향 치수는 일시적인 작동 및 정상 상태의 작동 동안에 능동적으로 일정하게 조정될 수 있어서 팁 간극을 제어하여 최소로 한다. 따라서, 최소 팁 간극을 초기에 설정하고 작동 동안에 팁 간극을 능동적으로 제어함으로써, 터빈 성능 개선이 이뤄질 수 있다.
본 발명에 따른 양호한 실시예에서는, 터빈 스테이지의 일부를 형성하는 버킷을 지지하는 회전자와, 상기 버킷의 팁을 둘러싸기 위한 슈라우드와 노즐을 지지하는 내부 쉘과, 상기 내부 쉘 주위의 외부 쉘과, 상기 내부 쉘을 반경방향 및 원주방향에 대항하여 지지하고, 상기 내부 쉘이 상기 외부 쉘에 대해 반경방향으로 열 팽창 및 수축할 수 있도록 하는 상기 내부 쉘과 외부 쉘사이의 연결부를 포함하며, 상기 내부 쉘은 상기 버킷 팁 주위로의 내부 쉘의 열 팽창 및 수축을 제어하여 터빈 작동 동안에 상기 슈라우드와 상기 버킷 팁사이의 간극을 능동적으로 유지하도록 열적 매체를 수용하기 위한 통로를 구비하는 터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 다른 양호한 실시예에서는, 외부 구성 쉘과, 상기 외부 쉘에결합되고, 터빈 스테이지용 노즐 및 슈라우드를 지지하는 내부 쉘로서, 상기 슈라우드는 터빈 회전자에 의해 지지된 버킷의 팁을 둘러싸는, 상기 내부 쉘과, 상기 회전자 주위에 상기 내부 쉘을 정열하도록 상기 내부 쉘과 외부 쉘사이를 결합하는 다수의 결합 요소를 포함하는 터빈을 제공한다.
본 발명에 따른 다른 양호한 실시예에서는, 터빈 스테이지의 부분을 형성하는 버킷을 지지하는 회전자와, 외부 억제 쉘과, 회전자 주위의 내부 쉘로서, 상기 내부 쉘은 상기 터빈 스테이지의 다른 부분을 형성하는 노즐과 상기 버킷의 팁 주위의 슈라우드를 구비하는, 상기 내부 쉘과, 상기 내부 쉘의 열적 성장을 제어하는 열적 매체의 유동을 위해 상기 내부 쉘내의 통로를 포함하는 터빈을 작동시키는 방법에 있어서, 상기 외부 구성 쉘에 대한 상기 내부 쉘의 반경방향 및 원주방향 이동을 억제하며 그리고 상기 외부 구성 쉘에 대한 상기 내부 쉘의 반경방향 열 팽창 및 수축을 가능하게 하도록 상기 내부 쉘과 상기 외부 쉘을 서로 결합하는 단계와, 상기 쉘의 온도와 반경방향 열 팽창 및 수축을 제어하여 버킷 팁과 슈라우드 사이의 간극을 제어하도록 상기 통로를 통해 열적 매체를 유동시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다른 양호한 실시예에서는, 회전자를 구비한 터빈에서, 터빈 회전자에 의해 지지된 터빈 버킷의 팁 주위에 슈라우드를 지지하며 터빈의 외부 쉘에 의해 지지되는 내부 쉘을 위치시키는 방법에 있어서, 상기 내부 및 외부 쉘의 반경방향 및 원주방향 상대 이동을 억제하고 상기 내부 및 외부 쉘의 서로에 대한 열 팽창 및 수축은 억제하지 않도록 상기 외부 쉘과 내부 쉘 사이에서 이들과 결합되도록 반경방향으로 지향되고 원주방향으로 이격된 핀을 배치시키는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다른 양호한 실시예에서는, 회전자 및 축을 구비한 터빈에서, 터빈 회전자에 의해 지지된 터빈 버킷의 팁 주위에 슈라우드를 지지하며 터빈의 외부 쉘에 의해 지지되는 내부 쉘을 위치시키는 방법으로서, 상기 외부 쉘과 내부 쉘 사이의 반경방향 평면내에서 상기 외부 쉘 및 내부 쉘과 결합하도록 반경방향으로 지향되고 원주방향으로 이격된 핀을 위치시키는 단계와, 회전자 축 및 회전자에 의해 지지된 버킷 팁에 대해 내부 쉘을 위치시키기 위해 상기 핀중 적어도 한쌍을 조정하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 다른 양호한 실시예에서는, 내부 쉘 섹션에 중첩하는 적어도 두개의 외부 쉘 섹션을 포함하는 외부 하우징을 구비한 터빈으로부터 부착된 노즐 스테이지와 슈라우드 부분을 지지하는 내부 쉘 섹션중 적어도 하나를 제거하는 방법에 있어서, 하나의 외부 쉘 섹션을 터빈 하우징과 다른 외부 쉘 섹션으로부터 분리하는 단계와, 터빈내로의 접근 개구를 형성하도록 터빈 하우징으로부터 분리된 외부 쉘 섹션을 제거하는 단계와, 상기 접근 개구를 통해 부착된 노즐 스테이지 및 슈라우드 부분과 함께 내부 쉘 섹션을 제거하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 또다른 양호한 실시예에서는, 공기 냉각 회로와 증기 냉각회로중 하나에 의해 냉각되는 고온 가스 경로 콤포넌트를 구비한 다중 스테이지 터빈에서, 상기 터빈내에서 공기 냉각 회로와 증기 냉각 회로 사이를 전환하는 방법에 있어서, 터빈으로부터 공기 냉각 회로와 증기 냉각 회로중 하나에 의해 냉각되는고온 가스 경로 콤포넌트를 제거하는 단계와, 상기 공기 냉각 회로와 증기 냉각 회로중 다른 것에 의해 냉각되는 고온 가스 경로 콤포넌트로 제거된 고온 가스 경로 콤포넌트를 교체하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
따라서, 본 발명의 목적은 터빈 회전자를 제거함이 없이 터빈 스테이지에 접근, 확실하게 버킷 팁 간극을 제어, 공기와 증기 냉각 회로를 전환하며, 그 관련 방법을 제공하는 고온 가스 경로 콤포넌트를 지지하는 제거가능한 내부 쉘을 구비한 가스 터빈을 제공하는 것이다.
제 1 도는 본 발명을 포함하는 단순 사이클의 단일 샤프트 대형 가스 터빈(10)의 개략적인 다이아그램이다. 가스 터빈은 회전자 샤프트(14)를 구비한 다중 스테이지 축류 압축기(12)를 포함하는 것으로 구성될 수 있다. 공기는 도면부호(16)에서 압축기의 입구로 유입되어, 축류 압축기(12)에 의해 압축되며, 다음에 천연 가스와 같은 연료가 연소되어 터빈(20)을 구동하는 고에너지 연소 가스를 제공하는 연소기(18)로 배출된다. 터빈(20)에서, 고온 가스의 에너지는 일로 전환되며, 그 중 일부는 샤프트(14)를 통해 압축기(12)를 구동하는데 사용되며, 나머지 일은 회전자 샤프트(24)에 의해 발전기(22)와 같은 부하를 구동하여 전기를 발생시키는 유용한 일로 사용될 수 있다. 전형적인 단순 사이클 가스 터빈은 연료 입력의 30 내지 35%를 샤프트 출력으로 전환한다. 나머지중 1 내지 2%를 제외하고는 모두 도면부호(26)에서 터빈(20)을 빠져나가는 배기열의 형태이다. 터빈 배기 스트림내의 에너지가 부가적으로 유용한 일로 전환되는 조합형 사이클 구성의 가스 터빈(10)을 이용함으로써 보다 높은 효율을 얻을 수 있다.
제 2 도는 도면부호(26)에서 터빈(20)을 빠져나가는 배기 가스가, 보일러에 의해 물이 증기로 전환되는 열회수 증기 발생기(28)내로 유입되는 매우 단순한 형태의 조합형 사이클을 도시한 것이다. 이렇게 발생된 증기는 증기 터빈(30)을 구동하는데 증기 터빈에서는 부가적인 일이 추출되어 샤프트(32)를 통해 제 2 발전기(34)와 같은 부가적인 부하를 구동하며 제 2 발전기는 그 뒤 부가적인 전력을 발생시킨다. 일부 구성에서, 터빈(20, 30)은 공동 발전기를 구동한다. 단지 발전만을 하는 조합형 사이클은 보다 진보된 가스 터빈을 이용하여 50 내지 60%의 열효율 범위내에 있다.
제 3 도는 본 발명의 초점이며 제 2도의 조합형 사이클 구성에 사용되는 것이 바람직한 가스 터빈을 상세하게 도시한 것이다. 압축기(12)로부터의 공기는 연소기(18)를 포함하는 연소 캔(can)으로 배기되며, 상기 연소 캔은 통상적인 형태로 회전자 샤프트(14)를 중심으로 원주 방향으로 위치되며, 하나의 캔은 도면부호(36)로 표시되어 있다. 연소후에, 생성된 연소 가스는 터빈 섹션(20)을 구동하는데 사용되며, 터빈 섹션(20)은 본 실시예에서 터빈 회전자를 포함하며, 회전자 샤프트(14)에 장착되어 그와 함께 회전하는 4개의 휠(38, 40, 42, 44)로 구성된 4개의 연속 스테이지를 포함하며, 각 휠은 각기 블레이드(46, 48, 50, 52)로 구성된 버킷열을 지지하며, 블레이드는 베인(54, 56, 58, 60)으로 구성된 고정 노즐 사이에 교호적으로 배열된다. 따라서, 4-스테이지 터빈은, 제 1 스테이지가 노즐(54) 및 버킷(46)을 포함하며, 제 2 스테이지가 노즐(56) 및 버킷(48)을 포함하며, 제 3 스테이지가 노즐(58) 및 버킷(50)을 포함하며, 제 4 스테이지가 노즐(60) 및버킷(52)을 포함하는 것으로 도시되어 있다.
이제 제 4 도를 참조하면, 터빈은 외부 구성 억제 쉘(70) 및 내부 쉘(72)을 포함하는 것으로 도시했으며, 내부 쉘은 제 1 및 제 2 스테이지용 슈라우드(74, 76)를 장착하고 있다. 제 3 도에 도시한 바와 같이, 외부 쉘(70)은 축방향 대향 단부가 예를 들면 볼트(74)에 의해 터빈 배기 프레임(77)에 고정되며, 그 상류측 단부가 볼트(75)에 의해 압축기 배출 케이싱(79)에 고정된다. 외부 쉘(70) 및 내부 쉘(72)은 각각 쉘 섹션, 바람직하게는 호형 쉘 반부를 포함하며, 이 쉘 반부는 각각 회전자 축을 중심으로 실질적으로 180°로 연장한다. 따라서, 외부 쉘 반부는 축방향 대향 단부가 나머지 터빈 하우징에 볼트 체결되며 도시하지 않은 수평 조인트에서 서로 볼트 체결된다. 내부 쉘 섹션(70) 뿐만 아니라 외부 쉘 섹션(72)은 각각 온도 변화에 응답하여 온도 변화에 따라 팽창 또는 수축하는 일체형 주물 또는 조립부품으로 형성된다.
터빈 내부 쉘(72)의 축방향 연장은 한 터빈 스테이지로부터 모든 터빈 스테이지까지 연장될 수 있지만, 제 3 도 및 제 4 도의 양호한 실시예에 있어서, 도시된 4 개의 스테이지중 처음의 두 스테이지, 특히 이에 부착된 두 스테이지의 고정 슈라우드(74, 76)를 커버하도록 축방향으로 연장하는 것으로 도시되어 있다. 터빈 내부 쉘(72)은 압력 용기나 최종 억제 용기가 아니며, 외부 터빈 쉘(70)에 의해 요구되는 구조적 강성 또는 플랜지 사이즈가 필요하지 않다. 이것은 열적 및 기계적 변형을 최소화한다.
제 4 도를 더 참조하면, 내부 쉘(72)은 제 1 및 제 2 스테이지 노즐베인(54, 56)의 각각을 냉각시키기 위한 냉각 매체 공급 및 복귀 파이프(49s, 51r)를 각기 지지한다. 이들 개개의 공급 및 복귀 파이프는 외부 쉘(70)의 반경방향 내측으로 또한 내부 쉘(72)의 반경방향 외측으로 이격되고 그리고 내부 쉘(72)을 중심으로 원주 방향으로 연장하는 호형의 공급 및 복귀 도관(53s, 55r)에 적당한 플랜지 및 가스켓에 의해 영구적으로 결합된다. 각 도관(53s, 55r)은 외부 쉘을 관통하는 관련 접근 개구의 반경방향 내측으로 이격된 반경방향 외부 환형 플랜지(59)내에서 종료하는 파이프 체결구(57)를 갖는다. 각 접근 개구는 다수의 볼트 구멍을 구비한 예를 들면 제 4 도에서의 플랜지(61)와 같은 환형 플랜지를 포함한다. 어댑터 체결구(63), 즉 동심 세트의 환형 볼트 구멍을 구비한 환형 플랜지는 볼트에 접근함으로써 파이프 체결구가 외부 쉘에 분리가능하게 고정되도록 하여 외부 쉘의 접근 개구를 통해 제공되는 외부 쉘과 파이프 체결구(57) 사이의 결합 및 분리를 행할 수 있도록 한다. 즉, 어댑터 체결구(63)를 파이프 체결구(57)에 결합하는 볼트뿐만 아니라 외부 쉘(70)에 체결구(63)를 결합하는 볼트는 모두 외부 쉘(70)의 외부에서 접근할 수 있다. 따라서, 외부 쉘로부터 냉각 공급 및 복귀 파이프(49s, 51r)를 각각 분리하여, 각 플랜지(59)와 외부 쉘의 내면 사이에 공간을 둠으로써, 외부 및 내부 쉘은 후술하는 바와 같이 제거될 수 있어서 유지 보수를 위해 회전 가능한 터빈 부품에 접근할 수 있게 한다. 또한, 이렇게 구성하면, 공기 냉각 고정 콤포넌트는 양 냉각 매체용의 회전자의 공통 부품 예컨대 휠, 스페이서, 제 3 및 제 4 스테이지 버킷 및 기타 부품 뿐만 아니라 외부 쉘을 이용하는 증기 냉각 콤포넌트로 쉽게 대체될 수 있다.
이제 제 6 도, 제 7 도 및 제 8A 도를 참조하면, 내부 쉘(72)은 회전자의 축에 직각인 반경방향 평면을 따라 외부 쉘(70)에 고정되며 그 축방향 위치는 제 1 및 제 2 스테이지 버킷 및 슈라우드와 양호하게 정열된다. 이를 위해서, 다수의 핀(90)이 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 반경방향 및 원주방향 이동을 방지하지만 열적 변형의 결과에 따른 반경방향 방향으로의 이동은 제한하지 않는 방식으로 내부 쉘과 외부 쉘 사이에서 그들에 결합된다. 바람직하게는, 내부 쉘과 외부 쉘 사이의 핀은 원주방향으로 이격된 위치에서 반경방향 평면내에 위치된다. 예를 들면, 각 축방향 위치에서 쉘을 상호 결합하는데 8개의 핀이 사용될 수 있으며, 각 핀(90)은 회전자 축을 중심으로 인접한 핀으로부터 대략 45°이격되어 위치된다. 제 7 도에 도시된 바와 같이, 또한 핀은 내부 쉘 반부(72)사이의 수평 조인트(J)로부터 이격되어 있으며, 제 7 도에서 반경방향으로 연장하는 화살표는 내부 및 외부 쉘의 상대 열 팽창 및 수축을 나타내는 것이다.
바람직하게는, 핀은 원통형이며, 내부 쉘에 고정되며, 그로부터 반경방향 외측으로 돌출하여 대향 측면상에 평탄부(89)를 구비한 감소된 섹션(91)에서 종료하는데, 상기 평탄부(89)는 원주 방향으로 면하고 있다. 핀의 원통형의 반경방향 내측 단부는 내부 쉘(72)내에 그리고 그 주위의 상보적 개구내로 수축 끼워맞춰진다.
제 6 도, 제 8A 도 및 제 8B 도에 도시된 바와 같이, 상부 덮개(94)는 핀(90)의 원주방향 위치에서 외부 쉘(70)내의 접근 개구(92)(제 6 도)를 통해 제공된다. 상부 덮개(94)는 대응하는 볼트 구멍을 구비한 외부 셀내의 접근 개구(92) 주위의 링 플랜지에 상부 덮개를 볼트체결하기 위한 볼트 구멍이 있는 플랜지를 갖고 있다. 상부 덮개(94)의 각각은 측방향 암나사 개구(93)내에서 그 내측 단부가 종료하는 실질적으로 원통형인 반경방향 내측 연장부(96)를 갖고 있다. 제 8A 도 및 제 8B 도에 도시된 조정 스크류(95)는 직경방향으로 대향된 나사 개구(93)내에 나사 결합되기 위한 수나사 단부를 가지며, 원통형 상부 덮개 연장부(96)의 반경방향 내측으로 돌출하여 있다. 개구(93) 및 스크류(95)는 핀의 반경방향 외부 단부의 평탄부(89)와 교차하는 원주방향 평면내에 위치된다. 스크류의 내단부는 각각 핀(90)의 일측면상의 평탄부(89)와 슬라이딩 결합할 수 있는 평탄면(101)을 구비한 구형 와셔(99)상의 상보적 오목면(98)과 결합하는 구형 볼록 헤드(97)를 갖고 있다. 각 스크류(95)는 수나사 단부와 그 헤드(97)사이에 일련의 평탄부(103)를 갖고 있다. 이것은 도시하지 않은 렌치와 같은 공구가 직경방향으로 큰 원통형 상부 덮개 연장부(96)내에서 내측으로 통과하고 평탄부 주위에 결합되어 조정 스크류(95)를 회전시킴으로써, 외부 쉘(70)의 외부에서 스크류(95)에 접근할 수 있게 한다. 상부 덮개 연장부를 중심으로 서로 90°이격된 4개의 조정 스크류(95)가 [핀(90)을 중심으로 4 개의 평탄부가 서로 90°가 되도록] 사용될 수 있지만, 원주방향 평면내에 단지 두 개의 스크류만이 있는 것이 바람직하다. 외부 터빈 쉘 외경에서 상부 덮개에 볼트 체결된 블라인드 플랜지는 핀 주위로의 반경방향의 가스 누출을 밀봉한다.
조정 스크류(95)는 슈라우드(74, 76)와 터빈 버킷(46, 48)사이에 각각 초기 최소 간극이 있도록 회전자 축에 대해 내부 쉘(72)을 위치시키기 위해 외부 쉘(70)의 외부에서 선택적으로 조정될 수 있다. 상술한 바와 같이, 이러한 구성은 원주방향 및 반경방향 이동에 대항하여 내부 쉘을 외부 쉘에 고정할 수 있지만, 내부 쉘이 열적으로 변형되도록 즉 팁 간극 제어(후술됨)를 용이하게 하기 위하여 플리넘(78, 80)내에 열적 매체를 적용하는 것에 응답하여 외부 쉘에 대해 반경방향으로 이동하도록 한다. 내부 쉘이 초기에 설치되어 회전자 축과 정열되도록 조정 스크류(95)에 의해 조정될 경우에, 핀(90) 및 스크류(95)는 터빈 외부의 가열/냉각 공급원으로부터 터빈과 독립적으로 플리넘에 열적 매체를 공급하여 내부 쉘의 온도를 제어함으로써 정상 상태의 터빈 작동 및 일시적인 터빈 작동 동안에 유지될 수 있는 작동 터빈 팁 간극을 타이트하게 유지한다. 중요하게, 핀은 회전자 축에 대해 직각인 두개의 평면내에 위치되며, 각기 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드를 통과한다. 핀(90)은 외부 쉘에 대한 내부 쉘의 구조적 지지체를 구성한다. 상이한 공기 압력의 영역(I, II, III)사이의 공기 유동을 최소화하도록 제 4 도에 도시한 바와 같이 쉘의 대향 단부에는 시일(100, 102)이 제공된다. 또한, 다수의 패드(105)가 제 4 도에 도시한 바와 같이 내부 쉘(72)의 전방 격벽과 외부 쉘(70)의 전방 격벽사이의 원주방향으로 이격된 위치에 배치된다. 패드(105)는 외부 셀쪽으로의 내부 쉘의 축방향 부하를 지지한다.
개시된 터빈의 양호한 실시예에 있어서, 터빈 버킷(46, 48)의 팁과 슈라우드(74, 76)사이의 작동 팁 간극은 내부 쉘(72)의 온도를 제어함으로써, 바람직하게는 예를 들면 터빈 및 그 작동과 무관한 매체 공급원으로부터 플리넘(78, 80)내에 열적 매체를 공급하여 그 온도를 제어함으로써 정상 상태의 터빈 작동 및 일시적인 상태 동안에 확실히 능동적으로 제어된다. 이러한 목적을 성취하기 위해서, 내부 쉘(72)은 제 1 및 제 2 스테이지 슈라우드 및 버킷을 통과하는 반경방향 평면내의 다수의 핀(90)에 의해 지지되며, 이에 의해 내부 쉘은 핀에 의해서만 원주 방향 및 반경방향 이동에 대항하여 외부 쉘로부터 지지되며, 반경방향으로 돌출하는 핀에 의해 열적 상태, 즉 가해진 열적 매체에 응답하여 반경방향으로 팽창 및 수축할 수 있다. 제 5 도 및 제 5A 도를 참조하면, 플리넘 또는 통로(78, 80)는 각기 슈라우드(74, 76)의 반경방향 외측의 위치에서 내부 쉘(72)내에 형성된다. 플리넘(78, 80)은 예를 들면 내부 쉘 반부와 같은 쉘 섹션의 각각의 주위로 연장하는 반경방향 평면내에서 호형으로 연장한다. 제 5A 도에 도시된 바와 같이, 플리넘(78, 80)은 인접한 내부 쉘 섹션과의 결합부에 인접한 각 내부 쉘 섹션의 대체로 축방향으로 연장하는 통로(82)에 의해 서로 직렬로 연통하도록 놓여 있다. 따라서, 통로(82)는 직렬 유동 관계로 플리넘(78, 80)을 상호 연결한다. 제 5 도 및 제 5A 도에 도시한 바와 같이, 입구 파이프(84)는 내부 쉘(72)상의 입구 체결구와의 결합을 위해 외부 쉘(70)내의 접근 개구를 통해 연장되며, 이에 의해 열적 매체가 외부 쉘(70)을 통과하여 플리넘(78)내로 유입된다. 또한, 출구 파이프(86)는 외부 쉘(70)내의 접근 개구를 통과하며, 이에 의해 내부 쉘 플리넘(78, 80)으로의 열적 매체 유입물은 배출되어 열적 매체 공급원으로 복귀된다. 상측의 외부 및 내부 쉘 반부가 설명되고 도시되어 있지만, 하측의 외부 및 내부 쉘 반부도 또한 실질적으로 동일하므로 그 설명은 생략한다. 단지 하나의 입구 파이프 및 출구 파이프가 쉘 섹션의 플리넘으로 열적 매체를 공급하기 위한 것으로 특징적으로 개시되어 있지만, 별개의 입구 및 출구가 플리넘(78, 80)내에 제공될 수 있다. 또한,플리넘(78, 80)은 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 소망의 별개의 입구 및 출구를 구비한 플리넘 세그먼트내에 제공될 수 있다.
또한, 입구 및 출구 파이프(84, 86)(제 5 도)는 각각 외부 쉘(70)의 외부에서 각각의 플리넘과 입구 및 출구 파이프를 결합 및 분리할 수 있게 각 플리넘(78, 80)과 각각 연통하는 내부 셀상의 파이프(84a, 86a)에 분리가능하게 결합된다. 이것은 내부 셀(72)에 고정된 연장부(84a)와 입구의 접합점에서 그리고 플리넘(80)의 개구 주위의 플랜지 링(86a)과 출구 파이프(86)의 접합점에서 개스킷이 끼워진 플랜지 결합부에 의해 성취될 수 있으며, 이를 위해서 입구(84) 및 출구(86)내에 볼트가 제공되어 각각의 입구(84) 및 출구(86)를 통해 쉘(70)의 외부에서 접근할 수 있다.
제 5 도를 다시 참조하면, 플리넘(78, 80)에 공급된 열적 매체는 본 예에서 터빈과 독립적인 외부 공급원에 의해, 바람직하게는 폐루프 회로내에 제공된다. 폐루프 회로는 열교환기(88), 압축기(90) 및 가열기(92)를 포함할 수 있다. 이 방법에서, 열적 매체는 폐회로내의 입구(84) 및 출구(86)를 통해 터빈의 작동 조건에 따라 필요하고 요구되는 냉각 또는 가열 열적 유체를 플리넘(78, 80)에 제공한다. 플리넘(78, 80)에 공급되는 가열/냉각 매체의 온도는, 시동 동안에 터빈의 역사적 온도, 작동 속도 및 작동 정지와 같은 일시적인 현상에 근거하여 예정된 스케줄에 따라 제어될 수 있으며, 이에 의해 내부 셀은 터빈 작동시에 발생되는 전형적인 열적 불일치를 극복하도록 팽창 또는 수축되게 제어될 수 있다.
내부 쉘과 외부 쉘의 핀 결합은 팁 간극을 용이하게 제어할 수 있게 한다.내부 쉘은 반경방향 및 원주 방향 이동에 대해 고정되지만, 내부 셀은 버킷(46, 48)의 팁에 대한 슈라우드(74, 76)의 간극을 제어하도록 내부 쉘을 제어가능하게 팽창 및 수축시키기 위해 열적 매체에 의해 제어된 온도 입력에 응답한다. 예를 들면, 시동 동안에, 플리넘(78, 80)에 공급되는 열적 매체는 가열 유체이다. 내부 쉘을 가열함으로써, 내부 쉘은 회전자 및 버킷의 열 팽창률 이상의 비율로 팽창될 수 있다. 따라서, 반경방향으로 돌출한 핀(90)은 와셔(99)의 평면을 따라 반경방향 외측 방향으로 미끄럼운동함으로써, 외부 쉘에 대한 내부 쉘 및 그 슈라우드의 팽창은 슈라우드와 버킷 팁사이의 간극을 유지할 수 있게 한다. 일시적인 현상 동안에, 내부 쉘은 회전자보다 빠르게 수축하는 경향이 있으므로, 슈라우드를 버킷 팁을 향해 반경방향 내측으로 변위시킨다. 이러한 경우에, 내부 쉘의 열 수축율이 회전자 및 버킷의 열 수축율보다 작아 터빈 팁과 슈라우드사이의 수축을 방지하도록 플리넘에 가열 유체가 공급된다. 정상 상태의 작동 동안에, 열적 매체의 온도는 슈라우드와 버킷 팁사이의 소정의 간극을 유지하도록 제어된다. 따라서, 쉘의 모든 활동적인 열적 변형동안, 외부 쉘에 의해 지지된 조정 스크류와 내부 쉘에 의해 지지된 핀 사이를 결합함으로써, 핀의 평탄부와 조정 스크류의 와셔사이의 상대적인 미끄럼 운동을 허용하여 간극을 제어할 수 있게 한다. 내부 쉘은 그 대향 축방향 단부의 밀봉을 제외하고는 고정되지 않는다.
본 발명의 다른 특징은 터빈에 접근하여 터빈으로부터 회전자를 제거할 필요없이 터빈 스테이지의 고온 가스 콤포넌트를 제거할 수 있다는 것이다. 제 3 도를 다시 참조하면, 터빈의 외부 쉘(70)은 현재의 양호한 4-스테이지 터빈에서 제 3 및제 4 스테이지 노즐(58, 60)을 지지하는 반면에, 내부 쉘(72)은 각각 제 1 및 제 2 스테이지 노즐(54, 56)을 지지한다. 또한, 상술한 바와 같이, 내부 및 외부 쉘은 각각 상측 및 하측 쉘 반부로 제공된다. 긴 접근 개구(103)는 제 12 도에 개략적으로 도시한 바와 같이 하측 외부 쉘 반부를 따라 형성되어 있다. 롤러 조립체(104)는 긴 접근 개구내로 삽입되며, 롤러로부터 내부 쉘을 지지하여 내부 쉘이 롤러상에서 회전할 수 있도록 내부 쉘(72)과 결합한다. 제 2 세트의 롤러는 상부 덮개(94)가 사용하는 것과 동일한 세트의 구멍내에서 사용된다. 상부 덮개는 한번에 하나씩 제거되며, 롤러 조립체도 한번에 하나씩 설치된다. 롤러는 핀(90)으로부터 오프셋되며, 이에 의해 내부 쉘은 핀을 제거할 필요없이 굴려질 수 있다. 롤러 조립체(104, 106)는 각기 접근 개구(125, 102)내로 그리고 내부 쉘(72)의 일부분을 형성하는 랜드(108, 109)와 각기 접촉하여 삽입된다.
제 13 도에 도시한 바와 같이, 롤러 조립체(104)[또한 롤러 조립체(106)]는 나사 칼라(117)가 제공된 나사 스터드(115)에 도면부호(113)에서 피봇식으로 부착된 휠(111)을 구비한 두 휠의 보기트럭(bogie truck) 형태이다. 칼라(117)는 내부 터빈 쉘(70)상에서 자유 회전하는 큰 직경의 숄더 플랜지를 가지며, 칼라는 "C" 자형 링에 의해 제위치에 유지된다. 나사 칼라(117)를 회전시킴으로써, 스터드(115)는 전진하며, 휠(111)은 랜드와 결합할 수 있다. 칼라(117)의 역회전은 휠 조립체(104)를 후퇴시킨다. 휠 조립체(106)는 휠 조립체(104)와 실실적으로 유사하며, 조립 및 분해 동안에 내부 쉘(72)의 부하의 할당몫을 수용하도록 휠의 사이즈 및 갯수만이 상이하다.
상측 외부 쉘 반부를 제거하기 전에, 조정 스크류(95)는 평탄부(89)를 벗어나며, 상부 덮개(94)는 외부 쉘내의 그 접근 개구를 통해 이들을 철회시킴으로써 제거되어, 내부 쉘이 상술한 바와 같이 하측 외부 쉘 반부내로 삽입된 롤러에 의해서만 지지되도록 남는다. 또한, 냉각 배관 체결구(57)와, 열적 매체 입구 및 출구 연결부(84, 86)와, 이와 관련된 어댑터 체결구(61)는 외부 쉘(70)내의 접근 개구를 통해 분리된다. 어댑터 체결구가 제거된 경우, 냉각 파이프 플랜지(59)와, 플리넘(78)으로의 입구 연장부 및 플리넘(80)으로부터의 출구는 외부 쉘의 반경방향 내측으로 이격되어, 후술하는 바와 같이 이들 사이에 간극을 제공하여 하측 내부 쉘 반부를 제거할 수 있다. 상술한 바와 같이, 상측 외부 쉘 반부는 터빈 하우징의 나머지로부터 축방향으로 대향된 단부 플랜지를 분리하고 이들 사이의 수평 조인트를 따라 하측 외부 쉘 반부로부터 상측 외부 쉘 반부를 분리함으로써 터빈으로부터 제거될 수 있다. 터빈으로부터 상측 외부 쉘 반부를 상승시킴으로써, 제 3 및 제 4 스테이지 노즐(58, 60)도 또한 각기 상측 외부 쉘 반부를 갖는 터빈으로부터 제거될 수 있다. 또한, 상측 외부 쉘 반부를 제거하는 것은 제 1 및 제 2 스테이지 노즐과 이에 의해 지지된 슈라우드를 구비한 내부 쉘 반부를 제거하도록 접근할 수 있게 하며, 필요할 경우에 제거 및 교체를 위해 터빈 버킷 및 다른 고온 가스 경로 부품에 접근할 수 있게 한다. 이것은 상측 외부 쉘 반부(70) 및 상측 내부 쉘 반부(72)가 제거된 제 9 도에 개략적으로 도시되어 있다.
상측 외부 및 내부 쉘 반부가 제거되면, 모조 또는 모형의 내부 쉘 반부(110)(제 10 도)가 하측 내부 쉘 반부에 고정된다. 모형 또는 모조의 쉘 반부의 중량은 내부 쉘 반부의 중량과 유사하다. 롤링 고정부(112)는 터빈 하우징, 즉 모형 내부 터빈 쉘(10)을 둘러싸는 하측 외부 쉘 반부에 고정될 수 있다. 하측 내부 쉘 반부에 부착된 라인 및 궤도와 롤링 고정부상에는 윈치(winch)(114)가 제공되어 있다. 윈치의 작동에 의해, 하측 내부 쉘 반부 및 모형 내부 쉘 반부는 접근 개구내에 하측 내부 쉘 반부를 노출시키도록 회전자 축을 중심으로 회전될 수 있다. 접근 개구내의 상측 위치내로 상술한 하측 내부 쉘 반부를 이동시키도록 모형 내부 쉘 반부 및 하측 내부 쉘 반부를 일체로 회전시키기 위해서 다른 적당한 공구가 이용될 수 있다. 하측의 내부 쉘 반부가 접근 개구내에 일단 위치되면, 하측 내부 쉘 반부는 그에 의해 지지된 제 1 및 제 2 스테이지 노즐과 슈라우드와 함께 접근 개구를 통해 제거될 수 있으며, 이에 의해 모든 노즐 및 슈라우드가 교체될 수 있다.
교체되거나 쇄신된 부품으로 터빈을 재조립하기 위해서는 상기와 반대의 절차가 행해진다. 예를 들면, 모형 쉘 반부(110)가 제 위치에 있으면, 새로운 내부 쉘 반부는 모형 쉘에 인접한 접근 개구내에 위치될 수 있다. 새로운 내부 쉘 반부 및 모형 쉘을 회전시킴으로써, 새로운 내부 쉘 반부는 터빈 하우징의 하측 반부내에 위치될 수 있다. 그 뒤 제 2의 새로운 내부 쉘 반부가 접근 개구내에 배치되어 하측 내부 쉘 반부에 고정된다. 다음에, 상측 외부 쉘 반부가 교체되며, 터빈을 폐쇄한다. 다음에, 상부 덮개(94)가 삽입되며, 내부 쉘이 초기에 회전자 축 주위로 최소 팁 간극으로 정렬되도록 조정 스크류가 조정된다. 파이프 체결구(57)와, 열적 매체용의 입구 및 출구 연결부는 외부 쉘내의 접근 개구를 통해 재결합되며, 외부쉘 및 롤러 조립체는 제거된다. 이제 터빈은 작동 상태에 있다.
제 14 도를 참조하면, 터빈은 점각 표시된 부분과 점각 표시되지 않은 부분으로 도시되어 있다. 제 14 도의 점각된 부분은 공기 또는 증기 냉각에 사용되는 경우 터빈에 공통적인 터빈 회전자의 콤포넌트를 나타낸다. 제 14 도의 점각 표시되지 않은 부분은 회전자가 공기 냉각과 증기 냉각 사이에서 전환될 때 교체해야 하는 터빈 회전자의 콤포넌트를 나타내며, 증기 냉각 콤포넌트가 도시되어 있다. 예를 들면, 구매자는 처음에 공기 냉각식 4-스테이지 터빈을 필요로 한 뒤 공기 냉각식 터빈으로부터 증기 냉각식 터빈으로 전환하는 것을 필요로 할 수 있다. 전체 터빈을 교체하기 보다는, 단지 공기 냉각식 터빈중에서 제 1 및 제 2 스테이지 버킷(46, 48)과, 제 1 스테이지 슈라우드(74)와, 제 1 및 제 2 스테이지 격벽(54, 56)만이 교체될 필요가 있다. 상술한 바와 같이 상측 외부 쉘(70) 및 내부 쉘 반부를 제거하는 것에 의해 내부 쉘은 제 1 및 제 2 스테이지 격벽과 제 1 스테이지 슈라우드를 제거하고 이들을 증기 냉각에 필요한 슈라우드, 격벽 및 배관으로 교체함으로써 쇄신될 수 있다. 분명하게, 교체 부품에 의해 전체적으로 새로운 터빈 내부 쉘이 제공될 수 있다. 또한, 회전하는 콤포넌트에의 접근에 의해, 제 1 및 제 2 스테이지 공기 냉각식 터빈 버킷이 제 1 및 제 2 스테이지 증기 냉각식 버킷으로 대체될 수 있다. 앞에서 참조한 종래의 적용에서 설명된 교체 터빈 버킷 및 회전자 증기 냉각 회로는 완전히 전환될 것이다. 따라서, 공기 냉각식 또는 증기 냉각식 터빈에 공통적으로 사용되는 부품으로는 내부 및 외부 쉘과, 제 3 및 제 4 스테이지 노즐과, 제 2 스테이지 슈라우드와, 모든 회전자 휠 및 스페이셔와, 제 3 및 제4 스테이지 터빈 버킷을 들 수 있다.
본 발명을 가장 바람직한 양호한 실시예와 관련해서 설명했지만, 본 발명은 기술한 실시예에 의해 제한되지 않으며, 반대로 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범위내에 포함되는 다양한 변형 및 균등한 구성을 커버하는 것으로 의도된다.
제 1 도는 본 발명을 포함하는 가스 터빈의 개략도.
제 2 도는 본 발명을 포함하며 보다 효율적인 가스 터빈 및 열회수 시스템을 이용하는 조합형 사이클 시스템의 개략적인 다이아그램.
제 3 도는 터빈의 일부분에 대한 단면도로서, 연소기, 압축기 및 터빈 섹션을 나타내는 단면도.
제 4 도는 제 3 도에 도시한 터빈의 일부분에 대한 부분 확대 단면도.
제 5 도는 내부 터빈 쉘 반부의 열 팽창 및 수축을 제어하기 위한 배관 및 통로와 함께, 내외부 쉘, 제 1 및 제 2 스테이지 버킷 및 노즐을 도시하는 축소된 단면도.
제 5A 도는 제 5 도의 내부 터빈 쉘 반부에 대한 열회로의 개략도.
제 6 도는 내부 쉘과 외부 쉘사이의 연결부의 일부분을 도시하는 부분 확대 사시도.
제 7 도는 내부 쉘과 외부 쉘 사이의 핀 연결부의 위치를 도시하는 것으로 축방향 평면을 따라 취한 개략도.
제 8A 도는 내부 쉘과 외부 쉘사이의 연결부를 도시하는 내부 쉘의 일부분의 부분 단면도.
제 8B 도는 내부 쉘의 반경방향 및 원주방향 이동은 방지하고, 상대적인 열팽창 및 수축은 허용하는 내부 쉘과 외부 쉘사이의 연결부를 도시하는 것으로 상부 덮개(top hat)를 통해 반경방향 내측으로 본 확대 단면도.
제 9 도 및 제 10 도는 하측의 내부 쉘 섹션에 접근하는 방법의 개략도.
제 11 도는 차후의 제거를 위해 하측의 내부 셀을 회전시키는 방법을 도시하는 반경방향 평면에 따른 개략도.
제 12 도는 터빈 부품의 분해 및 조립 동안에 내부 쉘을 지지하기 위해 외부 쉘을 통해 삽입된 롤러를 도시하는 부분 단면도.
제 13 도는 제 12 도의 선(13-13)을 따라 취한 내부 쉘을 지지하는 롤러의 확대 단면도.
제 14 도는 공기 냉각 및 증기 냉각용의 공통적인 터빈 부품 뿐만 아니라 공기 냉각과 증기 냉각간의 전환시 변경된 부품을 도시하는 것으로 제 3 도와 유사한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
10 : 가스 터빈 14 : 샤프트
20, 30 : 터빈 22 : 발전기
38, 40, 42, 44 : 휠 46, 48, 50, 52 : 버킷
70, 72 : 내외부 쉘 74, 76 : 슈라우드
78, 80 : 플리넘 94 : 상부 덮개
95 : 조정 스크류 104, 106 : 휠 조립체

Claims (8)

  1. 터빈 스테이지의 일부를 형성하는 버킷(46, 48)을 지지하는 회전자와,
    상기 버킷의 팁을 둘러싸기 위한 슈라우드(74, 76)와 노즐(54, 56)을 지지하는 내부 쉘(72)과,
    상기 내부 쉘 주위에 위치된 외부 쉘(70)과,
    상기 내부 쉘과 외부 쉘 사이에서 상기 내부 셀을 지지하는 연결부(90)를 포함하며;
    상기 연결부(90)는, 상기 외부 쉘에 대한 상기 내부 쉘의 원주방향 또는 반경방향 변위를 방지하면서 상기 외부 쉘에 대한 상기 내부 쉘의 반경방향 열 팽창 및 수축을 허용하도록, 상기 쉘 둘레에 원주방향으로 이격되고, 상기 내부 쉘(72)에 고정되며, 상기 외부 쉘(70)에 대해 반경방향으로 미끄럼운동할 수 있는 반경방향으로 연장된 다수의 핀을 구비하며,
    상기 내부 쉘은, 상기 내부 쉘의 상기 버킷 팁 주위에서의 열 팽창 및 수축을 제어하기 위해 열적 매체를 수용하도록 플리넘(78, 80)을 구비함으로써, 터빈의 작동중에 상기 슈라우드와 상기 버킷 팁 사이의 간극을 유지시키는
    가스 터빈.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 내부 쉘(72)은 대체로 반원통형인 한 쌍의 일체형 주물 섹션을 포함하고, 각 섹션은 열적 매체를 수용하기 위해 상기 쉘 주위로 대체로 호형으로 연장된 플리넘(78, 80)을 구비하는
    가스 터빈.
  3. 터빈 스테이지의 부분을 형성하는 버킷(46, 48)을 지지하는 회전자와, 외부 구성 쉘(70)과, 상기 회전과 주위의 내부 쉘(72)로서, 상기 터빈 스테이지의 다른 부분을 형성하고 상기 내부 쉘에 의해 지지되는 노즐(54, 56) 및 상기 버킷의 팁 주위의 슈라우드(74, 76)를 구비하는, 상기 내부 쉘(72)과, 상기 내부 쉘의 열적 성장을 제어하는 열적 매체의 유동을 위한 상기 내부 쉘내의 플리넘(78, 80)을 포함하는 가스 터빈(20)을 작동시키는 방법에 있어서,
    상기 외부 쉘에 대한 상기 내부 쉘의 반경방향 또는 원주방향 변위를 방지하면서 상기 외부 쉘에 대한 상기 내부 쉘의 반경방향 열 팽창 및 수축을 허용하도록, 상기 쉘 둘레에 원주방향으로 이격되고, 상기 내부 쉘(72)에 고정되며, 상기 외부 쉘(70)에 대해 반경방향으로 미끄럼운동할 수 있는 반경방향으로 연장된 다수의 핀에 의해 상기 내부 쉘(72)과 상기 외부 쉘(70)을 서로 결합시키는 단계와,
    상기 쉘의 온도와 반경방향 열 팽창 및 수축을 제어하여 상기 버킷 팁과 상기 슈라우드 사이의 간극을 제어하도록 상기 플리넘을 통해 열적 매체를 유동시키는 단계를 포함하는
    가스 터빈 작동 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 내부 쉘은 대체로 원통형인 2개의 원통형 섹션을 포함하고, 상기 결합단계는 반경방향을 향하고 원주방향으로 이격된 핀(90)을 상기 2개의 섹션 사이의 조인트로부터 오프셋되도록 배치시키는 것을 포함하는
    가스 터빈 작동 방법.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 결합 단계는 상기 회전자 및 회전자 축에 의해 지지된 상기 버킷 팁에 대해 상기 내부 쉘(72)을 위치시키기 위해 상기 핀중 적어도 한 쌍을 조정하는 단계를 포함하는
    가스 터빈 작동 방법.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 핀은 상기 대체로 반원통형인 한 쌍의 일체형 주물 섹션 사이에 위치된 조인트로부터 오프셋되는
    가스 터빈.
  7. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 6 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회전자는 제 1, 제 2, 제 3 및 제 4 스테이지(46, 48, 50, 52)의 부분을 형성하는 버킷을 지지하고, 상기 내부 쉘은 제 1 및 제 2 스테이지 노즐(54,56)과, 제 1 및 제 2 스테이지 버킷(46, 48)의 팁을 둘러싸는 슈라우드(74, 76)를 지지하며, 상기 외부 쉘(70)은 제 3 및 제 4 스테이지 노즐(58, 60)과, 제 3 및 제 4 스테이지 버킷(50, 52)을 둘러싸는 슈라우드를 지지하고, 배관(49s)이 상기 제 1 및 제 2 스테이지 노즐에 냉각 매체를 공급하기 위해 상기 내부 쉘에 의해 지지되며, 체결구(57)가 상기 외부 쉘의 외부에서 접근가능하고 상기 배관에 결합되는
    가스 터빈.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 외부 쉘(70)은 대체로 반원통형인 2개의 외부 쉘 섹션으로 형성되고, 하나의 외부 쉘 섹션은 다른 외부 쉘 섹션에 제거 가능하게 결합되어 상기 하나의 외부 쉘 섹션의 제거시에 상기 내부 쉘에 접근가능하게 하는 개구를 형성하며, 상기 내부 쉘(72)은 서로 분리가능하게 고정된 대체로 호형인 적어도 2개의 섹션으로 형성되며, 상기 호형 섹션은 그에 의해 지지된 상기 제 1 및 제 2 스테이지 노즐(54, 56)의 부분을 포함하고 상기 호형 섹션을 서로 분리할 시에 상기 접근 개구를 통해 제거 가능한
    가스 터빈.
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